Введение к работе
Актуальность исследования. Быстродействующие цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) являются компонентной базой для создания широкого спектра устройств и приложений, от бытовой радиоэлектронной аппаратуры до систем специального назначения. Быстродействующие ЦАП (БД ЦАП) используются в системах телекоммуникаций и связи (сотовой, спутниковой, интернет, телерадиовещании), тестовом и измерительном оборудовании, медицинском диагностическом оборудовании, радиолокации, авиационной технике, цифровом синтезе сигналов широкого назначения и других.
Среди существующих архитектур ЦАП наибольшим быстродействием и линейностью преобразования высокочастотных сигналов обладают ЦАП с коммутацией токов, что сделало их фактически стандартной архитектурой для реализации БД ЦАП.
Для большинства современных приложений быстродействующих ЦАП (например, телекоммуникации) основной интерес представляет линейность преобразования и соответствующие частотные параметры (SFDR, HD3, IMD3 и др.) при синтезе высокочастотных сигналов (десятки-сотни мегагерц, вплоть до единиц гигагерц).
Обеспечение высоких частотных параметров выходных сигналов БД ЦАП при постоянно растущих частотах выборки становится всё более сложной задачей, требующей от разработчика учёта всё большего количества факторов на всех уровнях проектирования.
Для цифровых схем уменьшение технологических норм производства на данный момент является основным способом улучшения их качественных показателей (в первую очередь быстродействия).
Однако, для улучшения характеристик аналоговых и аналого-цифровых устройств (к которым в частности относятся БД ЦАП) уменьшение технологических норм может использоваться, как правило, достаточно ограниченно, так как это приводит к:
o усилению отрицательного влияния так называемых короткоканальных эффектов; o уменьшению рабочих напряжений транзисторов; o уменьшению максимальных размахов аналоговых сигналов; o снижению предельно достижимого отношения сигнал-шум; а также другим последствиям.
Кроме того, уменьшение норм приводит к значительному увеличению себестоимости производства и повышению требований к производственной инфраструктуре.
Таким образом, на данный момент основным направлением улучшения частотных параметров ЦАП является не возможность уменьшения технологической нормы производства, а развитие соответствующих методов и подходов на всех уровнях проектирования ЦАП.
Номенклатура современных отечественных микросхем ЦАП с коммутацией токов достаточно ограничена (серия 1273, 1508ПЛ8Т) и не имеет аналогов по наиболее новым и производительным моделям, например, фирм Analog Devices и Texas Instruments.
В то же время, реализация современных КТ ЦАП может быть выполнена полностью в КМОП-базисе с технологической нормой порядка 90-180 нм и, как правило, не требует применения дополнительных (например, биполярных) этапов технологического цикла производства, функциональных (например, лазерных) настроек созданных кристаллов и других более дорогостоящих и высокотехнологичных опций. Это значительно уменьшает себестоимость выпуска продукции и понижает требования к производственной инфраструктуре, способствуя возможности выпуска быстродействующих ЦАП на территории Российской Федерации. Указанные нормы имеются, например, у ПАО «Микрон». Представленные обстоятельства важны с точки зрения импортозамещения электронной компонентной базы и интересов промышленности РФ.
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки, технологии и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные системы» (утверждены указом Президента РФ № 899 от 07.07.2011 г.). Результаты исследований использовались в АО «НИИМА «Прогресс» при проведении ОКР по разработке микросхем ЦАП и синтезаторов сигналов прямого цифрового синтеза (DDS).
Таким образом, исследование статических и динамических искажений выходного сигнала КТ ЦАП для сравнения и развития методов по улучшению их ключевых параметров является важной задачей, обуславливающей актуальность данной диссертационной работы.
Степень разработанности темы диссертации. Статические и динамические искажения выходного сигнала ЦАП с коммутацией токов возникают под воздействием ряда паразитных эффектов. Вопросам исследования этих эффектов и соответствующих методов оптимизации ЦАП посвящено множество работ, из которых наиболее значимыми можно назвать публикациии авторов K. Doris, C.-H. Lin, K. Blut, A. V. den Bosch, M.S.J. Steyaert, W. Sansen, J. Deveugele, D. Mercer, W. Schofield, B. Schafferer, R. Adams, S. Halder, H. Gustat, C. Scheytt, J. Bastos, T. Chen, G.G.E. Gielen, H. A. Park, C.-K. K. Yang, G. Radulov, P. Quinn, H. Hegt.
Однако, в найденных публикациях анализ влияния большинства эффектов на целевые параметры (в первую очередь SFDR) представлен главным образом на качественном уровне, без аналитических оценок. Поэтому во многих случаях становится проблематично или даже невозможно чётко выделять доминирующие эффекты, определять рациональные пределы уменьшения их влияния при конкретном техническом задании и технологии производства и, соответственно, проводить направленную и сбалансированную параметрическую и структурную оптимизацию схем без излишнего усложнения устройства и избыточных издержек по площади на кристалле и потреблению питания.
Кроме того, отсутствие достаточно полного комплекса оценок влияния происходящих процессов затрудняет численное прогнозирование ожидаемого эффекта от применения конкретных подходов по улучшению характеристик КТ ЦАП, что в свою очередь затрудняет получение априорных выводов о целесообразности использования этих подходов.
В некоторых источниках для демонстрации эффекта от использованных подходов проводятся сравнения полученных результатов с результатами других работ. Однако, сравниваемые ЦАП выполнены в разных технологиях и технологических нормах. Кроме того, даже при использовании аналогичных технологий и схемотехнических решений характеристики и параметры реализованных устройств могут качественно отличаться в зависимости от параметрической настройки элементов схемы, её топологической реализации, корпусирования и других факторов. Поэтому подобные сравнения полезны скорее с точки зрения общей оценки реализации устройств в целом, но не могут достоверно характеризовать эффект от применения предложенных авторами подходов.
С другой стороны, в некоторых найденных оценках влияния эффектов наблюдаются значительные расхождения, требующие разъяснений и дополнительных исследований.
Объектом исследований являются быстродействующие ЦАП, построенные по архитектуре с коммутацией токов и реализованные в КМОП-базисе.
Предметом исследований является влияние паразитных эффектов, приводящих к искажениям выходного сигнала ЦАП и ограничивающих статическую и динамическую линейность преобразования КМОП ЦАП с коммутацией токов.
Целью работы является получение набора математических моделей и оценок, описывающих влияние паразитных эффектов на искажения выходного сигнала ЦАП с коммутацией токов, а также позволяющих определять доминирующие эффекты и проводить направленную оптимизацию ЦАП для улучшения его целевых параметров.
Основные задачи, решаемые для достижения цели работы: o создание моделей влияния паразитных эффектов;
o анализ этих моделей для получения оценок целевых параметров ЦАП; o проверка и уточнение существующих моделей и оценок при необходимости; o сравнительный анализ известных методов оптимизации ЦАП с коммутацией токов; o разработка методов оптимизации ЦАП с коммутацией токов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод «начальной-конечной точки», стандартно используемый при аппроксимации статиче
ской характеристики преобразования ЦАП, в общем случае приводит к неоптимальной ап
проксимирующей прямой и в результате даёт завышенное значение INL. Это приводит к зна
чительной переоценке требований к согласованию токовзвешивающих транзисторов и, соот
ветственно, к нецелесообразному увеличению их площади.
Для повышения точности аппроксимации при построении аппроксимирующей прямой предлагается использовать метод наименьших квадратов. Это позволяет точнее определять требования к согласованию и, согласно полученной оценке INL, позволяет уменьшить площадь токовзвешивающих транзисторов примерно в 2 раза.
2. Отсутствие или низкая точность оценок, описывающих влияние паразитных эффектов на ис
кажения выходного сигнала ЦАП, не позволяет обоснованно выделять доминирующие эф
фекты и проводить по ним направленную параметрическую и структурную оптимизацию
ЦАП. Для решения этой проблемы предложен ряд математических моделей для следующих
паразитных эффектов:
-
модуляции выходной ёмкости ЦАП,
-
помех в общих цепях смещения токовых ячеек ЦАП,
-
помех на шинах питания и земли (3 модели для составляющих искажений),
-
паразитных импульсов тока от управляющих сигналов,
-
модуляции напряжения в истоках коммутирующих транзисторов.
Из предложенных моделей получены соответствующие оценки (выражения), описывающие SFDR (основной частотный параметр ЦАП) во всём диапазоне рабочих частот ЦАП (первой полосе Найквиста).
По сравнению с существующими исследованиями эффектов 1) и 5) предложенные модели и оценки имеют ряд преимуществ, значительно повышающих их точность.
В литературных источниках по эффектам 2), 3) и 4) не найдено математических моделей и их анализов, позволяющих получить оценки целевых параметров ЦАП.
-
Предложена модификация драйвера токовой ячейки ЦАП, позволяющая сочетать ключевые преимущества драйверов на КМОП- и ИСЛ-логике. Кроме того, по сравнению со схемой-прототипом предложенная модификация имеет меньшее время переключения (на 70 % по результатам моделирования), что уменьшает влияние рассогласования схемных элементов и помех на шинах питания и земли, ухудшающих динамическую линейность преобразования.
-
Известные из публикаций методы оптимизации геометрии токовзвешивающих транзисторов ЦАП численно не учитывают рассогласование напряжений сток-исток, что не позволяет чётко определять требования к максимальному значению эффективного напряжения транзисторов. В результате с одной стороны площадь транзисторов может быть значительно завышена (на десятки процентов – в разы), а с другой стороны может не обеспечиваться требуемое согласование.
Для решения этой проблемы предложен метод параметрической оптимизации токовзвеши-вающих транзисторов ЦАП по критерию минимизации их площади при обеспечении требуемой согласованности токов стока.
Научная новизна результатов исследования заключается в:
o предложенных моделях эффектов и полученных из них оценках целевых параметров ЦАП, а также вытекающих выводах и рекомендациях, позволяющих проводить направленную структурную и параметрическую оптимизацию ЦАП;
o предложенной модификации драйвера токовой ячейки;
o разработанном методе параметрической оптимизации токовзвешивающих транзисторов по критерию минимизации их площади при требуемой согласованности токов стока;
o использовании метода наименьших квадратов вместо стандартного метода «начальной-конечной точки» при аппроксимации статической характеристики преобразования.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что предложенные модели эффектов и полученные оценки целевых параметров ЦАП позволяют:
o сравнивать степени влияния и важности эффектов в каждом конкретном случае и определять целесообразные границы уменьшения их влияния;
o аналитически обоснованно выделять структурно доминирующие эффекты и вести направленную структурную и параметрическую оптимизацию схемы ЦАП в целом;
o более обоснованно сравнивать методы для уменьшения влияния эффектов;
o формально определять перед этапом схемотехнического синтеза количественные требования к параметрам основных узлов ЦАП с коммутацией токов для обеспечения желаемых значений целевых параметров ЦАП;
o оценивать ожидаемые значения целевых параметров ЦАП при данных параметрах его узлов.
o Площадь токовзвешивающей части ЦАП может быть качественно (вплоть до нескольких раз) уменьшена за счёт:
применения предложенной оценки INL, полученной при аппроксимации характеристики преобразования методом наименьши квадратов и позволяющей точнее определять требования к рассогласованию выходных токов токовых ячеек ЦАП;
использования предложенной методики по оптимизации геометрии и режима работы МОП-транзисторов по критерии согласованности токов стока.
o Предложена модификация драйвера токовых ячеек ЦАП, имеющая ряд преимуществ по сравнению с существующими схемами.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов, выводов и положений подтверждается согласованностью результатов теоретического анализа эффектов с результатами специальных постановок проверочного моделирования, а также с результатами испытаний тестовой микросхемы ЦАП.
При анализе искажений использовались корректные математические методы.
Проверочное моделирование проводилось в специализированной схемотехнической САПР Virtuoso компании Cadence Design Systems с подключенными моделями компонентов КМОП техпроцесса HCMOS8D с нормой 0,18 um компании ПАО «Микрон». Программное обеспечение предоставлено АО «НИИМА «Прогресс».
Измерения тестовой микросхемы ЦАП проводились с помощью специализированного анализатора сигналов Rohde & Schwarz FSUP26 (20 Hz…26,5 GHz).
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования включает: теорию цепей и классические методы анализа линейных электронных схем; стандартные математические аппараты анализа сигналов в частотной области (преобразования Лапласа, Фурье); анализ частотных искажений от статической нелинейности с помощью разложения в степенной ряд Тэйло-ра; анализ частотных искажений в нелинейных динамических объектах с помощью разложения в функциональный ряд Вольтерра; теория модуляции сигналов; элементы теории вероятности. Рас-счёты и моделирование проводились в среде MATLAB и схемотехнической САПР Cadence Virtouso
с библиотекой компонентов КМОП техпроцесса HCMOS8D с нормой 0,18 um. Для измерений SFDR тестовой микросхемы ЦАП использовался анализатор сигналов Rohde & Schwarz FSUP26.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационного исследования использованы в следующих работах:
-
Проектирование 12-bit 1200 MS/s ЦАП для технологии TSMC 0.18um при разработке микросхемы синтезатора цифровых сигналов (DDS) 1367МН015 на базе АО «НИИМА «Прогресс» в рамках ОКР «Разработка синтезатора частот на основе прямого цифрового преобразования по «кремний-германиевой» технологии» (шифр «Многоцветник-20») по заказу Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России.
-
Разработка на базе АО «НИИМА «Прогресс» микросхемы ЦАП 12-bit 1 GS/s в рамках проекта по освоению технологии кремний на изоляторе HHGRACE SoI 0.2um (внутренний проект MP-201-0).
-
Разработка на базе АО «НИИМА «Прогресс» 12-/14-bit 1-/2- канальных 400 MS/s ЦАП в рамках ОКР «Разработка и освоение серийного производства радиационно-стойкого цифрового синтезатора частоты прямого синтеза для поверхностного монтажа с максимальной частотой квантования 400МГц» (шифр «Схема-И5-РК») по заказу Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России.
-
Разработка на базе АО «НИИМА «Прогресс» двухканального малопотребляющего ЦАП для микросхемы приёмопередатчика (РППУ-ЛСН) в рамках ОКР «Дюйм». По указанным разработкам от АО «НИИМА «Прогресс» получен акт о внедрении. Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации и отдельные её
результаты обсуждались и получили положительные отзывы на:
o VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных
микро- и наноэлектронных систем – 2014» (МЭС-2014). Москва. 2014 г. (в перечне ВАК); o VII Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных
микро- и наноэлектронных систем – 2016» (МЭС-2016). Москва. 2016 г. (в перечне ВАК); o XIII научно-техническая конференция «Пульсар-2014». Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Дубна. 2014 г.
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 9-ти печатных работах: 1 патент РФ, 6 статей (из них 5 в изданиях из перечня ВАК), а также 2 расширенные аннотации по докладам на конференции в изданиях из перечня ВАК. Общий объём печатных работ 5,8 печатных листов (личный вклад автора 2,8 печатных листов).
Соответствие паспорту специальности. Диссертация представляется к защите по специальности 05.13.05 – «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления». Диссертация соответствует пункту 2 паспорта специальности (Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик) по следующим причинам.
Разработанные в ходе исследования модели паразитных эффектов и полученные на основе их математического анализа оценки целевых параметров ЦАП позволяют проводить направленную структурную и параметрическую оптимизацию ЦАП с коммутацией токов с целью улучшения этих параметров. Достоверность предложенных моделей и оценок подтверждается результатами экспериментальных постановок проверочного моделирования.
Структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 75 наименований и 1 приложения. Основной текст работы изложен на 170 страницах машинописного текста (172 страницы с приложением), поясняется 82 рисунками и 17 таблицами.